红外遥控电磁密码锁设计方案.docx
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红外遥控电磁密码锁设计方案
红外遥控电磁密码锁设计方案
1.1课题研究的背景
电子技术的飞速发展，给古老的锁具生产带来了巨大的变革，现代的电子技术与机械技术相结合，产生了一大批如声控锁、磁控锁、密码锁、遥控锁，指纹锁等先进的锁具。
目前国内外密码锁系统的主要方向的发展是：
接触式密码锁系统，非接触式密码锁系统，智能识别密码锁系统，但是他们都相应的存在着不同的缺点。
例如：
接触式密码锁系统成本较低，体积小，卡片本身无须电源，但使用不太方便，而且有接触磨损。
相比之下，红外遥控密码锁系统的成本与接触式密码锁系统相当，而且可以进行近距离遥控，使用十分方便。
而且它已经与PC机的数据库相结合，可以组成一套酒店房间的门禁管理系统。
由于红外遥控具有许多优点，例如红外线发射装置采用红外发光二极管遥控发射器易于小型化且价格低廉；采用数字信号编码和二次调制方式，不仅可以实现多路信息的控制，增加遥控功能，提高信号传输的抗干扰性，减少误动作，而且功率消耗低；红外线不会向室外泄露，不会产生信号串扰；反应速度快、传输效率高、工作稳定可靠等。
工业设备中，在高压、辐射、有毒气体、粉尘等环境下，采用红外线遥控不仅完全可靠而且能有效地隔离电气干扰。
所以红外线遥控是目前使用最广泛的一种通信和遥控手段。
在本设计中，红外遥控密码锁和PC机、数据库相结合，能够实现适时的、强大的管理，使得整个红外遥控系统得到更好的完善。
1.2课题研究的现状和发展方向
目前大部分的锁采用的都是机械式的，其最大的缺点是利用简单工具就能很容易地把锁打开。
针对这种情况，我们设计了一种红外遥控密码锁，而一般设备都采用专用的遥控编码及解码集成电路，其制作简单、容易，但由于特定功能的限制，只适用于专用的电器产品，其应用范围受到限制。
而设计的红外遥控密码锁系统能提高门禁系统的可靠性和安全性,适应市场需要。
该系统具有普通电子密码锁功能的同时,还增加了遥控功能。
该系统具有较强的实际应用价值,所涉及的技术包括:
红外载波数据传输技术、单片机控制技术、红外遥控系统编码及译码技术、电路设计与演示板制作技术等。
1.3课题研究的工作方法
本系统由STC89C52单片机系统（主要是STC89C52单片机最小系统）、红外遥控器、LCD1602显示和报警系统等组成，具有设置、修改六位用户密码、超次报警、超次锁定、密码错误报警等功能（本设计由P0口控制LCD显示，密码正确显示Correct！
密码错误显示Error！
超过三次输入错误自动锁定。
键盘含有0-9数字键和功能键。
）。
除上述基本的密码锁功能外，依据实际的情况还可以添加其他功能。
本系统成本低廉，功能实用。
密码锁具无需钥匙，开启方便，用途广泛。
传统的机械密码锁组码位数低、重码率高、安全性差、开启操作不便。
电子式密码锁具以其高位数组码、按钮式操作、安全可靠等优点，逐步取代机械密码锁。
该设计使用密码控制技术，克服了传统机械式密码锁具的缺陷，具有电子式密码锁具的特点，组码位数最高可达到10位。
遥控上按钮式开锁，无需光照和电源，机件牢固，安全可靠，造价低廉，集机械式、电子式密码锁具优点为一体，具有较好的市场发展前景和技术应用价值。
2系统设计方案研究
2.1方案论证
2.1.1发射模块的方案
使用NEC编码格式红外线遥控编码芯片uPD6122G等作为主芯片再加上外围电路完成发射部分，或直接购买红外线遥控编码芯片的遥控器成品作为系统的发射部分。
因为是红外线遥控编码专用芯片，其内部已经集成了按键检测、处理和红外编码模块。
而且无须编程，使用十分方便。
故市面上的绝大多数的红外遥控器都是使用类似的方案，可见这方面的技术已经相当成熟。
在抗干扰能力上，因为没有涉及到软件，故其抗干扰能力强。
2.1.2接收模块的方案
发射模块使用型号为HZ-FT007的车载MP3红外遥控器因为它们都是采用NEC编码格式的红外遥控芯片作为主要芯片；使用一体化红外接收头HS0038和单片机STC89C52RC结合的方式完成接收解码模块，学习识别NEC编码格式的不同遥控器；使用LCD1602A实现系统的显示模块。
系统的总框图如图2.1所示。
这样的选择使系统在较低成本的情况下较好地实现系统的功能，而且系统有着较高的抗干扰性和稳定性。
图2.1选用方案系统框图
2.2方案的比较及确定
本设计的重点在于遥控解码，遥控解码的方式有硬件解码与软件解码。
方案一：
硬件解码。
硬件解码：
在接受遥控的一边可以连接一个专用解码芯片，只要按键盘上的键值，它就能直接把这个键值解码出来并存储，当你调用这个键值的时候只要从里面去读取就行了，所以它的解码率高，读取显示简单，这是它的优点。
可是该芯片价格昂贵，而且只能解码对应的遥控器，兼容性差，成本昂贵，不适合用作市场量产。
方案二：
软件解码。
软件解码：
根据遥控器选择的芯片不同，其遥控码格式也有不同。
现在市场上主要有日本的NEC标准和飞利浦标准，通过软件的方式解码时解码的正确率就是一个很重要的指标了。
在单片机编程的时候是选择用执行效率高的汇编语言还是选用可读性编写容易的C语言呢？
不可否认汇编的执行效率是C语言的几倍甚至几十倍，而且误码率低，可是如果选择汇编的话编写难度可想而知，可是如果用C语言编写的话误码率及实时性又会变得比较差。
综合以上考虑，如果我们能够在解码这部分用汇编，而显示及控制这部分用C语言编写的话，就能较好的完成我们预期的目标。
因此我选用了两块C52单片机芯片，一块负责红外解码，一块负责显示与控制。
事实证明，我的选择和预想中的一样，很好的解决了汇编与C语言难以共存的问题。
基于上述比较，我们选择了方案二，采用汇编与C语言共同的软件解码方式。
2.3总体设计方案选定
方案一：
采用数字电路控制。
用以74LS112双JK触发器构成的数字逻辑电路作为密码锁的核心控制，共设了9个用户输入键，其中只有4个是有效的密码按键，其它的都是干扰按键，若按下干扰键，键盘输入电路自动清零，原先输入的密码无效，需要重新输入；如果用户输入密码的时间超过10秒（一般情况下，用户不会超过10秒，若用户觉得不便，还可以修改）电路将报警20秒，若电路连续报警三次，电路将锁定键盘2分钟，防止他人的非法操作。
采用数字电路设计的方案好处就是设计简单但控制的准确性和灵活性差。
故不采用。
方案二：
采用一种是用以STC89C52为核心的单片机控制方案。
选用单片机STC89C52作为本设计的核心元件，利用单片机灵活的编程设计和丰富的IO端口，及其控制的准确性，实现基本的密码锁功能。
在单片机的外围电路外接输入键盘用于密码的输入和一些功能的控制，外接LCD1602显示器用于显示作用。
其原理如下图2.2所示：
图2.2单片机控制密码锁原理图
可以看出方案二控制灵活准确性好且保密性强还具有扩展功能，根据现实生活的需要此次设计采用此方案
3系统硬件设计
3.1红外通讯原理
红外遥控是单工的红外通信方式，本设计的红外遥控采用以通信方式为基础的红外遥控，而且本设计也使用了红外通信技术，故着重分析红外通信的基本原理。
红外通信是利用红外技术实现两点间的近距离保密通信和信息转发。
它一般由红外发射和接收系统两部分组成。
发射系统对一个红外辐射源进行调制后发射红外信号，而接收系统用光学装置和红外探测器进行接收，就构成红外通信系统。
红外线是波长在750nm至1mm之间的电磁波[5]，它的频率高于微波而低于可见光，是一种人的眼睛看不到的光线。
红外通信一般采用红外波段内的近红外线，波长在0.75um至25um之间。
红外数据协会（IrDA）成立后，为了保证不同厂商的红外产品能够获得最佳的通信效果，红外通信协议将红外数据通信所采用的光波波长的范围限定在850至900nm之内。
红外通信的基本原理[6]是发送端将基带二进制信号调制为一系列的脉冲串信号（载波信号），通过红外发射管发射红外信号。
常用的有通过脉冲宽度来实现信号调制的脉宽调制（PWM）和通过脉冲串之间的时间间隔来实现信号调制的脉时调制（PPM）两种方法。
脉时调制（PPM）[7,8,9,10]是红外数据协会（IrDA）和国际电子电工委员会（IEEE）都推荐的调制方式，本设计采用脉时调制方法，即用两个脉冲串之间的时间间隔来表示二进制信息，数据比特的传送仿照不带奇偶校验的RS232[8]通信，首先产生一个同步头，然后接着8位数据比特。
如图3.1所示。
图3.1PPM调制波形图
普通的红外遥控采用面向指令的帧结构，数据帧由同步码，地址码和指令码组成，指令码长度多为8～16个比特，传送多字节遥控协议时效率偏低，而增加指令码的长度不利于接收器同步，为此本设计选用一种面向字节的帧结构，采用类似于异步串行通信的帧结构，每帧由一个起始位（二进制数0）、8个数据位和2个停止位（二进制数1）构成，如图3.2所示。
每帧传送1个字节的数据，帧与帧间隔大于2ms，帧结构不含地址信息，寻址问题由高层协议解决[8]。
图3.2数据帧结构示意图
由于红外光存在反射,在全双工的方式下发送的信号也可能会被本身接收，因此，红外通信应采用异步半双工方式，即通信的某一方发送和接收是交替进行的。
3.2NEC编码格式介绍
本系统使用的型号为HZ-FT007的车载MP3红外遥控器，它们主要芯片都是NEC编码格式的红外遥控芯片。
NEC编码广泛应用于电视机，DVD，PC电脑，音响等，是比较常用的一种红外编码格式。
下面以NEC编码标准的红外编码芯片uPD6122G作为例子介绍。
NEC遥控编码是连续的32位二进制码组，其中的前十六位是用户码，后16位为8位的数据码及其反码。
在每次编码之前还会发送9ms高电平和4.5ms低电平组成的引导码（或称起始码）。
而且第二段的用户码也可以在遥控应用电路中被设置为第一段用户码的反码。
它的帧结构如下图3.3所示。
图3.3帧结构
NEC编码标准是以用不同脉冲的时间间隔来区分‘0’和‘1’的，uPD6122G以脉宽为0.56ms、间隔0.565ms、周期为1.125ms的组合表示二进制的‘0’；以脉宽为0.56ms、间隔1.69ms，周期为2.25ms的组合表示二进制的‘1’。
其波形如下图3.4所示。
图3.4脉冲波形图
使用455KHz晶振时各代码所占的时间如下图3.5所示：
图3.5晶振时各代码所占时间
uPD6122G按键输出有两种方式：
一种是每次按键都输出完整的一帧数据；另一种是按下按键不松开时，发送完整的一帧数据后再发送重复码，直到按键被松开。
其波形如下图3.6所示。
图3.6按键输出波形
3.2接收模块原理
3.2.1接收解码原理
接收解码的关键是如何识别‘0’和‘1’，本系统使用的是一体化红外接收头进行红外信号接收，在没有信号的时候其输出端是高电平，而有信号的时候是低电平，所以其输出信号电平正好和遥控发射端相反。
从上面的讨论可以发现在遥控发射端‘0’和‘1’均以0.56ms的高电平开始，不同的是低电平的宽度，‘0’为0.565ms，‘1’为1.69ms，所以必须根据低电平的宽度区别‘0’和‘1’。
本系统用中断的方式实现从接收头到MCU的信号传输。
如图9所示，红外接收头的输出端连接到单片机的INT0脚。
接收头输出端有低电平信号输出时引起单片机的中断如图3.7。
单片机响应中断并进行信号的接收解码。
解码后的信号就变成相应的遥控器按键代码，从而可以成为密码锁的密码。
图3.7中断接收示意图
3.3硬件介绍
遥控器里面是一个键盘编码器，每个按键对应一个编码，在把编码调制到一个高频信号上，其目的是为了降低发射的功率损耗；再把调制好的信号送给红外发光管把信号发送出去。
接收过程恰好与此相反，首先由红外接收管收到微弱的信号，经放大后解解调（把高频载波去掉），再进行解码，就可得到遥控器发过来的数据。
如图3.8所示。
图3.8红外遥控流程图
图3.8中遥控接收器部分的“光/电放大”和“解调”由一体化接收头完成，单片机要做的只是“解码”。
实验板上一体化接收头的数据输出线经过了INT0切换开关连接到单片机的P32脚（即INT0），INT0切换开关弹起时连通。
实现方法：
经遥控器发送的是串行数据，通过脉冲的占空比来区别‘0’和‘1’；以脉宽为0.565ms,间隔0.56ms，周期为1.125ms的组合表示二进制‘0’；以脉宽为0.565ms，间隔为1.685ms，周期为2.25ms的组合表示二进制‘1’。
遥控器产生的遥控编码是连续的32位二进制码组，其中前16位为用户识别码，能区别不同的电器设备；后16位为8位操作码及其反码，最多可产生128个不同的编码。
当遥控器一个键按下超过36ms，震荡器使芯片激活，将发射一组108ms的编码脉冲，这108ms发射代码由一个起始码（9ms），一个结果码（4.5ms），低8位地址码（9ms~18ms），高8位地址码（9ms~18ms），8位数据码（9ms~18ms）及其反码（9ms~18ms）组成。
如果键按下超过108ms仍未松开，接下来发送的代码（连发码）就只由起始码（9ms）和结束码（4.5ms）组成。
解码关键在于如何识别‘0’和‘1’，‘0’和‘1’均以0.56ms的低电平开始，不同的是高电平的宽度不同，‘0’为0.56ms，‘1’为1.68ms，所以必须根据高电平的宽度区别‘0’和‘1’。
如果从0.56ms过后开始延时，0.56ms后若读到低电平，说明该位为‘0’，反之为‘1’；为了可靠起见，延时必须比0.56ms长一些，但又不能超过1.12ms，否则如果该位为‘0’，读到的已是下一位的高电平，因此取（1.12+0.56）/2=0.84ms比较可靠。
过程如图3.9所示。
图3.9数据码的组成
3.4STC89C52外围电路设计
3.4.1单片机
STC89C52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程
Flash存储器。
使用宏晶公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。
片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。
在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得STC89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。
STC89C52具有以下标准功能：
8k字节Flash，256字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，2个数据指针，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。
另外，STC89C52可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。
空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。
掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。
外形及引脚排列如图3.10所示。
图3.10STC89C52的芯片引脚图
STC89C52共有40个引脚，大致可分为4类：
电源引脚、时钟电路引脚、I/O引脚、控制线引脚。
根据开发的需要和单片机的结构，我们就可以实现单片机的自动工作，即实现自动化。
主电源及时钟引脚--此类引脚包括电源引脚Vcc、Vss、时钟引脚XTAL1、XTAL2。
（1）Vcc（40脚）：
接+5V电源，为单片机芯片提供电能。
（2）Vss（20脚）接地。
（3）XTAL1（19脚）在单片机内部，它是一个反向放大器的输入端，该放大器构
了片内的振荡器，可提供单片机的时钟控制信号。
（4）XTAL2（18脚）在单片机内部，接至上述振荡器的反向输出端。
控制引脚—此类引脚包括RESET（即RSR/VPD）、ALE/PROG、PSEN、EA/VPP，可以提供控制信号，有些具有复用功能。
（1）RSR/VPD（9脚）：
复位信号输入端，高电平有效，当振荡器运行时，在此引
加上两个机器周期的高电平将使单片机复位（REST）。
复位后应使此引脚电平保持为不高于0.5V的低电平，以保证单片机正常工作。
掉电期间，此引脚可接上备用电源（VPD），以保持内部RAM中的数据不丢失。
当Vcc下降到低于规定值，而VPD在其规定的电压范围内（5±0.5V）时，VPD就向内部RAM提供备用电源。
（2）ALE/PROG（30脚）：
ALE为地址锁存允许信号。
当单片机访问外部存储器时，（地址锁存允许）输出脉冲的下降沿用于锁存16位地址的低8位。
即使不访问外部存储器，ALE端仍有周期性正脉冲输出，其频率为振荡器频率的1/6。
但是每当访问外部数据存储器时，在两个机器周期中ALE只出现一次，即丢失一个ALE脉冲。
ALE端可以驱动8个LSTTL负载。
（3）PSEN（29脚）：
程序存储器允许输出控制端。
此输出为单片内访问外部程序存储器的读选通信号。
在从外部程序存储器取指令（或取常数）期间，每个机器周期均PSEN两次有效。
但在此期间，每当访问外部数据存储器时，这两次有效的PSEN信号将不会出现。
PSEN同样可以驱动8个LSTTL负载。
（4）EA/VPP（31脚）：
EA功能为内外程序存储器选择控制端。
当EA端保持高电平时单片机访问内部程序存储器，但在PC（程序计数器）值超过0FFFH时将自动转向执行外部程序存储器内的程序。
输入/输出引脚—此类引脚包括P0口、P1口、P2口和P3口。
（1）P0（P0.0~P0.7）是一个8位三态双向I/0口，在不访积压外部存储器，做通用I/0口使用，用于传送CPU的输入/输出数据，当访问外部存储器时，此口为地址总路线
低8位及数据总路线分时复用口，可带8个LSTTL负载。
（2）P1（P1.0~P2.7）是一个8位准双向I/O口（作为输入时，口锁存器置1），带有内部上拉电阻，可带4个LSTTL负载。
（3）P2（P2.0~P2.7）是一个8位准双向I/O口，与地址总路线高8位复用，可驱动4个LSTTL负载。
3.4.2复位电路与振荡电路
单片机STC89C52作为主控芯片，控制整个电路的运行。
其需要一个复位电路，复位电路的功能是：
系统上电时提供复位信号，直至系统电源稳定后，撤消复位信号。
复位电路的设计图如图3.11所示。
图3.11复位电路图
STC89C52中有一个用于构成内部振荡器的高增益反相放大器，引脚XTAL1和XTAL2分别是该放大器的输入端和输出端。
这个放大器与作为反馈元件的片外石英晶体或陶瓷谐振器一起构成自激振荡器，振荡电路参见图3.12。
外接石英晶体（或陶瓷谐振器）及电容Cl、C2接在放大器的反馈回路中构成并联振荡电路。
对外接电容Cl、C2虽然没有十分严格的要求，但电容容量的大小会轻微影响振荡频率的高低、振荡器工作的稳定性、起振的难易程序及温度稳定性。
如果使用石英晶体，我们推荐电容使用30pF±10pF，而如使用陶瓷谐振器建议选择40pF±10F。
用户也可以采用外部时钟。
采用外部时钟的电路如图1所示。
这种情况下，外部时钟脉冲接到XTAL1端，即内部时钟发生器的输入端，XTAL2则悬空。
由于外部时钟信号是通过一个2分频触发器后作为内部时钟信号的，所以对外部时钟信号的占空比没有特殊要求，但最小高电平持续时间和最大的低电平持续时间应符合产品技术条件的要求。
图3.12单片机自激震荡电路
3.5LCD显示模块的设计
3.5.11602字符液晶简介
字符型液晶显示模块是一种专门用于显示字母、数字、符号等点阵式LCD，工业字符型液晶，能够同时显示16X2即32个字符（16列2行）。
注：
为了表示的方便，后文皆以1表示高电平，0表示低电平。
一般1602字符型液晶显示器实物如图3.13。
图3.131602实物图
3.5.21602管脚说明
1602字符型LCD通常有14条引脚线或16条引脚线的LCD，多出来的2条线是背光电源线，VCC（15脚）和地线GND（16脚），其控制原理与14脚的LCD完全一样。
具体管脚说明见下表3.1。
表3.11602管脚定义表
3.5.3字符集
1602液晶模块内部的字符发生存储器（CGROM）已经存储了160个不同的点阵字符图形，这些字符有：
阿拉伯数字、英文字母的大小写、常用的符号、和日文假名等，每一个字符都有一个固定的代码，比如大写的英文字母“A”的代码是01000001B（41H），显示时模块把地址41H中的点阵字符图形显示出来，我们就能看到字母“A”。
因为1602识别的是ASCII码，试验可以用ASCII码直接赋值，在单片机编程中还可以用字符型常量或变量赋值，如'A'。
下图3.14是1602的16进制ASCII码图：
图3.141602的ASCII码图
读的时候，先读上面那列，再读左边那行，如：
感叹号的ASCII为0x21，字母B的ASCII为0x42（前面加0x表示十六进制）。
3.5.41602与单片机连接
下图3.15为连接图
图3.151602与单片机连接图
3.6声光电路设计
3.6.1声控电路设计
蜂鸣器是一种一体化结构的电子讯响器，采用直流电压供电，广泛应用于计算机、打印机、复印机、报警器、电子玩具、汽车电子设备、电话机、定时器等电子产品中作发声器件。
蜂鸣器主要分为压电式蜂鸣器和电磁式蜂鸣器两种类型。
压电式蜂鸣器主要由多谐振荡器、压电蜂鸣片、阻抗匹配器及共鸣箱、外壳等组成。
多谐振荡器由晶体管或集成电路构成，当接通电源后（1.5~15V直流工作电压），多谐振荡器起振,输出1.5～2.5kHZ的音频信号，阻抗匹配器推动压电蜂鸣片发声。
电磁式蜂鸣器由振荡器、电磁线圈、磁铁、振动膜片及外壳等组成。
接通电源后，振荡器产生的音频信号电流通过电磁线圈，使电磁线圈产生磁场，振动膜片在电磁线圈和磁铁的相互作用下，周期性地振动发声。
下图3.16为声控电路图。
图3.16声控电路图
3.7步进电机模块：
3.7.1步进电机工作原理与控制
步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。
当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度（称为“步距角”），它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。
可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。
步进电机可以作为一种控制用的特种电机，利用其没有积累误差（精度为100%）的特点，广泛应用于各种开环控制。
3.7.2步进机的驱动电路
本系统采用额定电压为5V,相数为4相的步进电机，驱动方式为4相8拍。
一共有5跟线连接，其中红色的为电源线。
采用单极性直流电源供电。
只要对步进电机的各相绕组按合适的时序通电，就能使步进电机步进转动。
由于单片机P口输出的电流比较弱不能驱动步进电机，所以要加一个ULN2803芯片来放大电流使之能驱动步进电机工作。
步进电机驱动电路如下图3.17：
图3.17步进机驱动电电路
由于驱动芯片ULN2003A本身就具有反相器的作用，所以控制步进机的信号都经过了反相器反相处理再接入ULN2003A。
4系统软件设计
4.1主程序设计
本系统的软件程序主要包括主程序、接收解码程序、密码判断和报警程序、密码修改程序、遥控器学习识别程序几个大的模块程序。
主程序首先是初始化程序，然后就等待红外接收头输出端的低电平，低电平出现说明遥控有键按下，外部中断设定为下降沿触发，故单片机进入中断服务程序进行信号的接收解码。
当接收到遥控器识别按键时，单片机查找并判断此遥控器ID是否已存在。
当ID不存在时，系统进入遥控器学习模式，保存新ID及其键码；当遥控器ID已存在时，系统进入密码输入界面，并且接收到八位的
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